水中悬浮物质和胶体物(沉淀理论)解析课件.ppt

1、第二节第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除水中悬浮物质和胶体物质的去除污水处理常规工艺污水处理常规工艺第二节第二节 水中悬浮物质和胶体物质的去除水中悬浮物质和胶体物质的去除v 悬浮物质与胶体物质界定悬浮物质与胶体物质界定常规上，以常规上，以0.45m(即即450nm)孔径滤膜作为其分界尺度孔径滤膜作为其分界尺度胶体和环境纳米污染物胶体和环境纳米污染物，以下的均可以认定为，以下的均可以认定为溶解物质溶解物质。v 沉淀沉淀v 混凝混凝v 澄清澄清v 过滤过滤v 气浮气浮20-100m以上以上 悬浮颗粒悬浮颗粒 重力沉降重力沉降10-9-10-6m左右左右 胶体粒子胶体粒子 混凝等混凝等一、沉淀一、

2、沉淀 （一）、沉淀的定义（一）、沉淀的定义 悬浮颗粒在重力作用下，从水中分离的过程称为悬浮颗粒在重力作用下，从水中分离的过程称为沉淀沉淀。实现悬浮颗粒与水分离的构筑物或设备称为实现悬浮颗粒与水分离的构筑物或设备称为沉淀池沉淀池。(1)(1)当悬浮物密度大于水时，悬浮物下沉与水分离。当悬浮物密度大于水时，悬浮物下沉与水分离。沉沉 淀淀 (2)(2)当悬浮物密度小于水时，悬浮物上浮与水分离。当悬浮物密度小于水时，悬浮物上浮与水分离。上上 浮浮 （二）、沉淀去除的对象及构筑物（二）、沉淀去除的对象及构筑物 砂粒砂粒 化学沉淀化学沉淀 混凝絮体混凝絮体 生物污泥生物污泥 污泥浓缩污泥浓缩 沉砂池沉砂池

3、浓缩池浓缩池沉淀池沉淀池 3 3、位置及作用、位置及作用 A A、作为处理系统的主体；作为处理系统的主体；B B、工艺流程主体处理单元之前工艺流程主体处理单元之前预处理；预处理；C C、工艺流程主体处理单元之后；工艺流程主体处理单元之后；D D、污泥处置。污泥处置。（1 1）城市污水处理工艺）城市污水处理工艺:污水污水格栅格栅沉砂池沉砂池初沉池初沉池好氧好氧二沉池二沉池排水排水浓缩池浓缩池消化消化污水污水格栅格栅沉砂池沉砂池初沉池初沉池好氧好氧二沉池二沉池排水排水浓缩池浓缩池消化消化（2 2）高浓度有机废水处理工艺）高浓度有机废水处理工艺:废水废水沉淀沉淀调节池调节池厌氧厌氧沉淀池沉淀池好氧好

4、氧沉淀池沉淀池排水排水浓缩池浓缩池脱水脱水废水废水沉淀沉淀调节池调节池厌氧厌氧沉淀池沉淀池好氧好氧沉淀池沉淀池排水排水浓缩池浓缩池脱水脱水（3 3）含铬废水处理工艺）含铬废水处理工艺：药剂药剂废水废水混合反应池混合反应池沉淀池沉淀池排水排水浓缩池浓缩池脱水脱水药剂药剂废水废水混合反应池混合反应池沉淀池沉淀池排水排水浓缩池浓缩池脱水脱水(1)(1)自由沉淀自由沉淀 水中悬浮物颗粒水中悬浮物颗粒浓度浓度低，低，呈呈离散离散状态；状态；互不干扰互不干扰，各，各自完成沉淀过程。颗粒在下自完成沉淀过程。颗粒在下沉过程中的沉过程中的形状、尺寸、密形状、尺寸、密度、不发生变化。度、不发生变化。例如例如：沉砂

5、池沉砂池 （三）、沉淀类型（三）、沉淀类型 根据根据悬浮颗粒的性质悬浮颗粒的性质及其及其浓度的高低浓度的高低，沉淀可分为，沉淀可分为四种类型：四种类型：(2)(2)絮凝沉淀絮凝沉淀 水中悬浮物浓度不高，但有水中悬浮物浓度不高，但有絮凝絮凝性能。在沉淀过程中互相碰性能。在沉淀过程中互相碰撞发生撞发生凝聚凝聚，其其粒径和质量粒径和质量均随均随沉淀距离增加而增大，沉淀速度沉淀距离增加而增大，沉淀速度加快。加快。例如：例如：二沉池；二沉池；混凝沉淀混凝沉淀。(3)(3)拥挤沉淀拥挤沉淀(分层沉淀分层沉淀)水中水中悬浮物浓度较高悬浮物浓度较高，颗粒下，颗粒下沉受到周围其它颗粒的沉受到周围其它颗粒的干扰干

6、扰，沉速，沉速降低，颗粒碰撞互相降低，颗粒碰撞互相“凝聚凝聚”而而共同下沉，形成一共同下沉，形成一明显的泥、水界明显的泥、水界面。面。沉淀过程实质是沉淀过程实质是泥、水界面泥、水界面下下降的降的过程，过程，沉淀速度为界面下降速沉淀速度为界面下降速度度。如：如：二沉池的下部；二沉池的下部；污泥浓缩池上部。污泥浓缩池上部。(4)(4)压缩沉淀压缩沉淀 当悬浮物浓度很高、颗粒互当悬浮物浓度很高、颗粒互相接触、互相支承，在上层颗粒相接触、互相支承，在上层颗粒的重力作用下将下层颗粒间的水的重力作用下将下层颗粒间的水挤出，使颗粒群浓缩。挤出，使颗粒群浓缩。例如例如：二沉池污泥斗：二沉池污泥斗;浓缩池底部。

7、浓缩池底部。（四）沉淀理论（四）沉淀理论1 1、自由沉淀自由沉淀1 1）、自由沉淀的假定条件）、自由沉淀的假定条件 实际中水流状态、悬浮物的大小、形状、性质是十分复杂的，实际中水流状态、悬浮物的大小、形状、性质是十分复杂的，在水中自由沉降过程的动力学本质，进行如下假定在水中自由沉降过程的动力学本质，进行如下假定：颗粒为球形，沉淀过程中大小、形状和质量均不颗粒为球形，沉淀过程中大小、形状和质量均不发生变化；发生变化；液体为静止状态；液体为静止状态；颗粒沉淀不受容器器壁影响；颗粒沉淀不受容器器壁影响；颗粒沉淀仅受重力和颗粒沉淀仅受重力和水的作用水的作用。2 2）、自由沉淀速度）、自由沉淀速度 (1

8、)颗粒在静水中的受力情况颗粒在静水中的受力情况 重力：重力：浮力：浮力：阻力：阻力：F2 浮力F3 阻力F1 重力gdFS3161gdF3261223uACFSD 式中：式中：s,表示颗粒及水的密度表示颗粒及水的密度 g重力加速度重力加速度 AS颗粒在沉淀方向上的投影面积，对球形颗粒，颗粒在沉淀方向上的投影面积，对球形颗粒，As=d2/4 u颗粒沉速颗粒沉速 CD阻力系数，它是阻力系数，它是雷诺数雷诺数（）和）和颗粒形状颗粒形状的函数。的函数。水的粘度水的粘度udRe (2)(2)颗粒在静水中的运动情况颗粒在静水中的运动情况 在静水中悬浮颗粒在静水中悬浮颗粒开始沉淀时开始沉淀时，因受，因受重力

9、作用而产生加速运动，同时水的阻力重力作用而产生加速运动，同时水的阻力也逐渐增大。也逐渐增大。经一很短时间后经一很短时间后，当，当阻力阻力F F3 3增大到与增大到与颗粒的颗粒的“重力重力F F1 1和和浮力浮力F F2 2之差之差”相等时，相等时，颗粒作颗粒作等速下沉运动等速下沉运动。等速沉淀的速度常称等速沉淀的速度常称沉淀末速度沉淀末速度，简，简称称沉速沉速。F2 浮力F3 阻力F1 重力 (3)颗粒沉淀速度颗粒沉淀速度在等速沉淀情况下，在等速沉淀情况下，F F1 1-F-F2 2=F=F3 3，即即:23326161usSACgdgdD水流状态：水流状态：层流状态：层流状态：Re2时，时，

10、Stokes 式式 过渡状态：过渡状态：2Re500 时，时，Allen式式 紊流状态：紊流状态：500时，时，u0,u0,颗粒下沉；颗粒下沉；当当s s时，时，u0,u20md20m的颗粒。的颗粒。对于粒径较小的颗粒，可以通过混凝增大颗对于粒径较小的颗粒，可以通过混凝增大颗粒粒径，促进沉淀；粒粒径，促进沉淀；C.C.与与水的粘度水的粘度成反比；成反比；因粘度与水温成反比，故提高水温有利于加因粘度与水温成反比，故提高水温有利于加速沉淀。速沉淀。23326161uSSDACgdgdRe24DC241d218)(dgus层流状态下：层流状态下：StokesStokes公式公式斯托克斯公式斯托克斯公

11、式 牛顿公式牛顿公式 当当1000Re25000时，呈紊流状态，时，呈紊流状态，CD接近于常数接近于常数0.4代入得牛顿代入得牛顿公式：公式：当1Re1000时，属于过渡区，CD近似为 代入得阿兰公式：代入得阿兰公式：dgus1183.1 Re10 DCdgus311221)(2554 23326161uSSDACgdgd (1)实验目的实验目的 实际废水中悬浮物实际废水中悬浮物颗粒粒径不均匀，形颗粒粒径不均匀，形状各异，密度也有差异。状各异，密度也有差异。通过沉淀试验：通过沉淀试验：了解废水中悬浮物的沉淀特点；了解废水中悬浮物的沉淀特点；为工程设计提供参数。为工程设计提供参数。3 3）、自由

12、沉淀实验与曲线）、自由沉淀实验与曲线H取样口沉降柱沉降柱 (2)实验方法实验方法实验编号实验编号:1 2 3:1 2 3n n原水浓度：原水浓度：0 0 0 0 0 00 0有效水深：有效水深：H H HH H HH H取样时间：取样时间：t t1 1 t t2 2 t t3 3t tn n取样浓度取样浓度 1 1 2 2 3 3n ni i/0 0=X Xi i X X1 1 X X2 2 X X3 3X Xn n H/H/t ti i=u ui i u u1 1 u u2 2 u u3 3u un n 颗粒沉降到取样口颗粒沉降到取样口被认为去除；被认为去除；沉降速度沉降速度u u0 0：在

13、指定时间在指定时间t t0 0内，能从液面恰好沉到水深内，能从液面恰好沉到水深H H处处最小颗粒的沉速。最小颗粒的沉速。u u0 0=H/t=H/t0 0 X Xi i表示沉速表示沉速u uu ui i的颗的颗粒浓度与原始浓度的比值粒浓度与原始浓度的比值沉速uuuxdxxxx+dxx1-x沉速u 的颗粒与全部颗粒的重量比X悬浮物沉淀累积悬浮物沉淀累积分布曲线分布曲线(3)(3)沉淀效率计算沉淀效率计算 uuuu0 0颗粒去除率：颗粒去除率：t t0 0时间内，时间内，沉淀距离沉淀距离H,H,全部去除。全部去除。沉速uuuxdxxxx+dxx1-x沉速u 的颗粒与全部颗粒的重量比 uuuu0 0

14、颗粒去除：颗粒去除：在在t t0 0时间内其沉淀距离为时间内其沉淀距离为h h H,H,有有部分颗粒通过取样面被去除部分颗粒通过取样面被去除,去除比例为去除比例为h/H;h/H;即：即：X去除率为去除率为(1-(1-X X0 0)X X0 0表示沉速表示沉速uuuu0 0的颗的颗粒与全部颗粒的比。粒与全部颗粒的比。uuuu0 0所有颗粒的去除率：所有颗粒的去除率：某一颗粒与某一颗粒与颗粒总量的比例为颗粒总量的比例为dxdx，被去除的颗粒为：被去除的颗粒为：沉速沉速uuuu0 0所有颗粒的去除率应为：所有颗粒的去除率应为：0000uutuutHhdxuu0000 xdxuu 在在t t0 0时间

15、内，各种颗粒沉淀的时间内，各种颗粒沉淀的总去除率总去除率为：为：dxuuxEx00001）（沉 速 uuuxdxxxx+dxx1-x沉 速 u 的 颗粒 与 全 部 颗 粒的 重 量 比X思考思考：沉降曲线与沉淀实验的水深有无关？沉降曲线与沉淀实验的水深有无关？020406080100306090120 150E(%)t(min)0200.05604080E(%)1000.10.20.15图 自由沉淀型沉降曲线u0(mm/s)根据计算结果，可绘制根据计算结果，可绘制E E-t t和和E E-u u0 0关系曲线，关系曲线，称为称为沉降特性曲线沉降特性曲线 上述实验工作量太大，严格地说，经沉降时

16、间上述实验工作量太大，严格地说，经沉降时间t t后，将后，将有效水深内全部水样取出，测定剩余悬浮物浓度有效水深内全部水样取出，测定剩余悬浮物浓度,按下式按下式计算效率计算效率E E：实验改进方法实验改进方法：(1)(1)从有效水深的从有效水深的上、中、下部上、中、下部同时取相同时取相同数量水样混合后求出同数量水样混合后求出平均悬浮物浓度平均悬浮物浓度。(2)(2)中部取样方法：中部取样方法：可以假定悬浮物浓度可以假定悬浮物浓度沿深度呈直线变化，将沿深度呈直线变化，将取样口设在取样口设在H/2H/2处。处。HH2%10000E 例题：例题：某废水静止沉淀试验，有效水深为某废水静止沉淀试验，有效水

17、深为1.21.2m m，代表沉降时间代表沉降时间t t时取样中所含的悬浮物浓时取样中所含的悬浮物浓度，度，0 0代表起始悬浮物浓度。代表起始悬浮物浓度。求：沉速为求：沉速为3 3cm/mincm/min时悬浮颗粒的去除百分率。时悬浮颗粒的去除百分率。解：解：与各沉降时间相应的颗粒沉速计算如下：与各沉降时间相应的颗粒沉速计算如下：时间时间t(min)01530456090180 u=H/t（cm/min）842.6721.330.67以以u为横坐标，为横坐标，/0为纵坐标作图，如图所示：为纵坐标作图，如图所示：已知：已知：时间时间t(min)01530456090180/0(X)10.960.8

18、10.620.460.230.06当当u0=3cm/min时，时，由图可见小于该沉速的由图可见小于该沉速的颗粒与全部颗粒的重量颗粒与全部颗粒的重量比比x0=0.67，积分积分式可由图解求出，等于式可由图解求出，等于图中各矩形面积之和，图中各矩形面积之和，其值为：其值为：00 xudx 0.1(0.5+1.0+1.3+1.6+2.0+2.4)+0.072.7 =1.07故沉速为3cm/min时，总去除率为：E=（1-0.67）+1/31.07=0.69u(cm/min)2、絮凝沉淀 由于原水中含絮凝性悬浮物由于原水中含絮凝性悬浮物（如投加混凝剂后（如投加混凝剂后形成的矾花、生活污水中的有机悬浮物

19、、活性污泥等）形成的矾花、生活污水中的有机悬浮物、活性污泥等），在沉淀过程中大颗粒将会赶上小颗粒，互相碰撞在沉淀过程中大颗粒将会赶上小颗粒，互相碰撞凝聚，形成更大的絮凝体，因此沉速将随深度而凝聚，形成更大的絮凝体，因此沉速将随深度而增加。增加。悬浮物浓度越高，碰撞机率越大，絮凝的可悬浮物浓度越高，碰撞机率越大，絮凝的可能性就越大。能性就越大。可见，悬浮物的去除率不仅取决于可见，悬浮物的去除率不仅取决于沉淀速度沉淀速度，而且而且与深度有关与深度有关。絮凝沉淀的效率通常由试验确定。鉴于以上絮凝沉淀的效率通常由试验确定。鉴于以上原因，原因，试验用的试验用的沉淀柱的高度沉淀柱的高度应当与拟采用的实应当

20、与拟采用的实际沉淀池的深度相同，际沉淀池的深度相同，而且要尽量避免矾花因剧而且要尽量避免矾花因剧烈搅动造成破碎，影响沉淀效果。烈搅动造成破碎，影响沉淀效果。絮凝沉淀试验原理：絮凝沉淀试验原理：采用多点取样法。在直径约采用多点取样法。在直径约0.1-0.20.1-0.2m m，高约高约1.5-1.5-2.02.0m m，且沿高度方向设有约且沿高度方向设有约6 6个取样口的沉淀筒中倒入浓度个取样口的沉淀筒中倒入浓度均匀的原水均匀的原水静置沉淀静置沉淀（尽量避免絮凝体因剧烈搅拌而破碎，（尽量避免絮凝体因剧烈搅拌而破碎，影响沉淀效果）影响沉淀效果），每隔一定时间，分别从各个取样口采样，每隔一定时间，分

21、别从各个取样口采样，测定水样的悬浮物浓度，计算测定水样的悬浮物浓度，计算表观去除率表观去除率。以取样口高度。以取样口高度h h为纵坐标，沉淀时间为纵坐标，沉淀时间t t为横坐标，将各深度处的颗粒去除百为横坐标，将各深度处的颗粒去除百分数的数据点绘制在坐标纸上，如图示分数的数据点绘制在坐标纸上，如图示。把去除百分数把去除百分数p p相同的各点连成光滑曲线，称相同的各点连成光滑曲线，称为为等去处率曲线等去处率曲线，如下图示如下图示。等去处率曲线含义：等去处率曲线含义：当沉淀时间为当沉淀时间为t t0 0时，对应沉速时，对应沉速u u0 0=H/t=H/t0 0，凡是凡是uuuu0 0的的颗粒能全部

22、被去除，颗粒能全部被去除，uu0 0的颗粒的颗粒的去除率的去除率 E-E-表示不同水深处表示不同水深处u ut tuu0 0的颗粒的去除率增量的颗粒的去除率增量 h-h-表示不同去除率增量之间的平均水深表示不同去除率增量之间的平均水深 （两曲线之间的中点高度）（两曲线之间的中点高度）dxuuxEx00001）（0.6m1.2m1.8m2040608010030%45%50%60%70%E1E2E3E4E5沉降高度沉降时间（min）例题：例题：一废水在有效水深一废水在有效水深1.8米的沉淀柱内进行沉降试验，米的沉淀柱内进行沉降试验，数据如图所示。求沉淀时间数据如图所示。求沉淀时间60分钟时的悬浮

23、物总去除率。分钟时的悬浮物总去除率。解：解：由图可知，由图可知，60分钟时取样口的去除率为分钟时取样口的去除率为48%。此时沉降速。此时沉降速度大于度大于u0：1800/（6060）0.5mm/s的颗粒物占总颗粒物浓度的颗粒物占总颗粒物浓度的的48%。沉降速度小于沉降速度小于u0的颗粒沉降去除率为的颗粒沉降去除率为u/u0，在去除率在去除率5065%之间的颗粒平均沉降速度为：之间的颗粒平均沉降速度为：1.3100/（6060）0.35 mm/s。去除率去除率6580%之间的颗粒平均沉降速度为：之间的颗粒平均沉降速度为：0.7 1000/（6060）0.2 mm/s总去除百分数为：总去除百分数为

24、：EE0P1u1/u0+P2u2/u0，其中其中P1、P2为沉淀百为沉淀百分数的差值，则：分数的差值，则：E48+（50-48）1.71.8+（65-50）1.31.8+（80-65）0.71.8 66.5（）（）例题：例题：某有机废水含悬浮物某有机废水含悬浮物430430mg/lmg/l，絮凝沉淀试验数据如表所絮凝沉淀试验数据如表所示，试求该废水在示，试求该废水在1.81.8m m深的沉淀池中沉淀深的沉淀池中沉淀1 1h h的总悬浮物去处率。的总悬浮物去处率。表表 沉淀试验数据沉淀试验数据时间(min)指定深度的SS浓度和表观去除率E（括号中数字）0.6 m1.2 m1.8 m 5356.9

25、(17.0)387.0(10.0)395.6(8.0)10309(28.0)346.2(19.5)365.5(15.0)20251.6(41.5)298.9(30.5)316.1(26.5)30197.8(54.0)253.7(41.0)288.1(33.0)40163.4(62.0)230.1(46.5)251.6(41.5)50144.1(66.5)195.7(54.5)232.2(46.0)60116.1(73.0)178.5(58.5)204.3(52.5)75107.5(75.0)143.2(66.7)180.6(58.0)解：（解：（1）描点绘制各取样口处的）描点绘制各取样口处的E

26、-t曲线。曲线。（2）取一组）取一组E，从上图中读取各取样口处达此从上图中读取各取样口处达此E值所需值所需要的沉淀时间要的沉淀时间t，列表列表E（%）t（min）0.6m1.2m1.8m51.22.53.7102.55.06.5206.711.014.53011.719.025.04018.030.039.05027.044.056.56038.561.577.57055.087.5-7575.0-（3）按上表绘制等去除率曲线，见下图：）按上表绘制等去除率曲线，见下图：（4）按计算公式计算深度为）按计算公式计算深度为1.8m，时间时间60min时总时总去除率去除率（同例题同例题）C0CtC0H

27、HtHH 浓度Ct CtABCDab cdt=0t1tt时间t(a)(b)(c)(d)(e)高浊度水的沉降过程H0Ht 交界面aC03、拥挤沉降和压缩沉降、拥挤沉降和压缩沉降1）拥挤沉降过程分析）拥挤沉降过程分析 如下图，整个沉淀筒中可分为清水、等浓度区、变浓度区、压实区等四个区。如下图，整个沉淀筒中可分为清水、等浓度区、变浓度区、压实区等四个区。沉淀管水深H1沉淀管水深H20A、区交界面高度P1PQ1Q2 沉淀时间t 不同沉淀高度的沉降过程相似关系当原水颗粒浓度一样时，不同沉降高度的界面当原水颗粒浓度一样时，不同沉降高度的界面沉降过程曲线有相似性。沉降过程曲线有相似性。2121OQOQOPO

28、P4、理想沉淀池、理想沉淀池理想沉淀池的基本假设：颗粒处于自由沉淀状态，颗粒的沉速始终不变。水流沿水平方向流动，在过水断面上，各点流速相等，并在流动过程中流速始终不变。颗粒沉到底就被认为去除，不再返回水流中。理想沉淀池的工作情况见下图。沉淀区出水区进水区污泥区理想沉淀池工作状态 原水进入沉淀池，在进水区被均匀分配在A-B截面上其水平流速为：（3）考察顶点，流线III：正好有一个沉降速度为的颗粒从池顶沉淀到池底，称为截留速度。u的颗粒可以全部去除，u的颗粒只能部分去除 对用直线代表的一类颗粒而言，流速和都与沉淀时间有关 （1）（2）令（1）和（2）相等，代入（3）得：BhQv0vLt 00uht

29、 LBQu 0 即：一般称为“表面负荷”或“溢流率”。表面负荷在数值上等于截留速度，但含义不同。AQu 0 即：（4）一般称为“表面负荷”或“溢流率”。表面负荷在数值上等于截留速度，但含义不同。设原水中沉速为ui（uiu0）的颗粒的浓度为C，沿着进水区高度为h0的截面进入的颗粒的总量为QC=h0BvC，沿着m点以下的高度为hi的截面进入的颗粒的数量为hiBvC（见图7-4），则沉速为ui的颗粒的去除率为：（5）根据相似关系得：即 （6）同理得：（7）将式（6）和（7）代入（5）得特定颗粒去除率：（8）将（4）代入（8）得：(9)AQAQu 000hhCBhcCBhEii u uu uu uLuh 00u u00Luh u uiiLuh 0uuEi AQuuuEii 0 理想沉淀池理论理想沉淀池理论 由上式可知，颗粒在理想沉淀池的沉淀效率只与表面负荷有关，而与其它因素（如水深、池长、水平流速、沉淀时间）无关。（1）E一定，U越大，表面负荷越大，或q不变但E增大。与混凝效果有关，应重视加强混凝工艺。（2）E一定，增大A，可以增加产水量Q或增大E。当容积一定时，增加A，可以降低水深“浅池理论”。AQuuuEii 0